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Stahl

kohlenstoffarme Eisenlegierungen
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Dieser Artikel behandelt den Werkstoff Stahl. Für weitere Bedeutungen siehe Stahl (Begriffsklärung).

Stahl ist eine metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist.

Definition

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die weniger als 2,06% (Masse) Kohlenstoff enthält. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Zementit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell gelöst ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können.

Eigenschaften

Kohlenstoffstähle sind die am meisten verwendeten metallischen Legierungen. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen. Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder.

Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche allotrope Phasen, Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und Zementit. Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.

Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen Sorbit, Troostit, Bainit und Martensit entstehen. Siehe auch Härten.

Durch Legieren mit anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung, die Kombination von thermischer Behandlung mit plastischer Umformung, können die Eigenschaften der Stähle für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Man unterscheidet zwischen hoch- und niedriglegierten Stählen. Letztere kennzeichnet ein Anteil (bezogen auf die Masse der Legierungselemente außer Eisen) unter 5%.

Arten von Stählen

Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit, werden im Folgenden verschiedene Arten von Stählen angegeben.

  • Kohlenstoffstahl: Ist das Material was man im allgemeinen unter Stahl versteht. Gewöhnlich werden Kohlenstoffstähle zusätzlich mit Mangan legiert, um die Festigkeit weiter zu erhöhen.
  • Nichtrostender Stahl (Nirosta): Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10% Chrom erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Diese Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch. Umgangssprachlich werden dies Stähle auch rostfreie Stähle genannt.
  • Tiefziehstahl: Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen.
  • Schnellarbeitsstahl
  • Damaszener Stahl: Dieser ist ein Werkstoff für Säbel und ist für seine Flexibilität und Festigkeit bekannt. Damaszener Stahl ist kein Stahl im eigentlichen Sinn, sondern ein Verbundwerkstoff aus verschiedenen Stählen, die durch Feuerschweißen verbunden werden.


Einteilungen von Stählen

Die Einteilung von Stählen verläuft nach Ihren Anwendungen und Eigenschaften. Diese kann man grob in 4 Gruppen aufteilen.

Gruppe 1: unlegierte Baustähle

  • S - allgemeiner Baustahl (z.B.: S295) 295 bedeutet ReH von 295 N/mm²
  • E - Maschinenbaustahl
  • P - Druckbehälterbaustahl

Gruppe 2: Einsatzstähle und Vergütungsstähle

  • C 10, C15 ...... C60...... C n
  • C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in n/100 in %
  • Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0,25 % ist der Stahl einsatzhärtbar, darüber vergütbar.

(Achtung: bei Stahl gibt es einen Kohlenstoffgehalt von max. 2 % !)

Gruppe 3: niedriglegierte Stähle

Bei niedriglegierten Stählen liegt der Anteil an Legierungselementen unter 5 %.

Zum Beispiel steht das Kürzel 15CrNi6 für:

  • 15/100 in % C, aber: bei der Ermittlung des Legierungsanteil wird der C-Anteil nicht mitgerechnet!
  • Cr und Ni charakterisieren die Legierungselemente
  • 6 = 6/Konstante % Cr - in diesem Fall 1,5 %
  • Ni hat einen Anteil von unter 1 %

Zur Vorgangsweise: Das Legierungselement mit dem höchsten Anteil an der Legierung steht an erster Stelle, im Falle des Beispiels Cr - diesem wird die 1. Zahl zugeordnet, dem 2. Element die 2. Zahl usw. Kann man keine Zahl zuordnen so ist der Anteil automatisch unter 1%.

Die Konstanten sind in einer Tabelle fixiert - sie entsteht durch die Zuweisung einer Konstanten zu einem bestimmten Legierungselement. (z. B.: bei Cr würde die Konstante 4 sein)

Gruppe 4: hochlegierte Stähle

Der Anteil von mindestem einem Legierungselement ist größer als 5 %

Erklärung anhand des Beispiels X5CrNiMoV18-8-2

  • X - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle
  • 5/100 in % C
  • Cr, Ni, Mo, V charakterisieren die Legierungselemente
  • 18 % Cr , 8 % Ni, 2 % Mo, unter 1 % V

Die Vorgangsweise ist gleich wie in Gruppe 3 - der Unterschied besteht darin, dass der Anteil in Prozent nicht erst über eine Konstante umgerechnet werden muss sondern direkt abgelesen werden kann.


GJL

Diese Art des Gusseisen kommt am häufigsten zur Verwendung.

  • Vorteile:
  • Schwingungen werden durch die laminare Anordnung des Kohlenstoffs gedämpft
  • Gute Schmierung durch den Kohlenstoff
  • Nachteile:
  • die mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut ausgeprägt wie bei normalem Stahl

GJS

Bessere mechanische Eigenschaften als GJL

GJM

  • M - Tempergusseisen

Eine Zahl hinter diesen Bezeichnungen würde eine Zugfestigkeit Rm angeben (z. B.: GJS100 Zugfestigkeit von 100 N/mm²)

Stahlherstellung

Hochofenroute

Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden.

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalk und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.

Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff reduziert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigt und unberuhigt vergossenen Stählen (unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z.B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.

Direktreduktion

Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2 Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex, Midrex und Finex Verfahren.

Das Corex Verfahren ist gegenwärtig am meisten verbreitet. Dieses Verfahren verwendet zwei Gefäße, eins zum Reduzieren des Erzes und das zweite zum Vergasen der Kohle und Aufschmelzen des Eisens. Da keine hohe Möllersäule getragen werden muss, kann minderwertige Kohle verwendet werden. In den Konverter wird eine große Menge Sauerstoff eingeblasen (ca. 1 t O2 t Eisen) und es wird eine große Menge CO haltiges Corex Gas frei, das weiterverwendet werden muss. Die Rentabilität des Verfahrens hängt von den Kosten für den Sauerstoff und den Erträgen durch die Verwertung des Corex Gases ab. Diese Restriktionen bedingen gewöhnlich hohe Investitionen in der Peripherie, die die Integration des Verfahrens in gewachsene Hüttenwerke behindern.

Stahlherstellungsverfahren

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden.

In den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das "Frischen"), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD-Verfahren.

Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der Elektroofenprozess.

Historische Verfahren

Meteoreisen: Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren verarbeitet.
Rennfeuer: Ca. 1500 Jahre vor unserer Zeitrechnung sind die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann.
Stück- oder Wolfsofen: Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet.
Gussstahl: Das Roheisen wird im seit 1742 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil im Schrott frischt das Roheisen und verbesserte somit die Qualität des Stahls.
Puddel-Verfahren: Im 1784 von Henry Cord in England erfundenen Puddel-Verfahren wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet.
Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren: Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedene Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung).
OBM-Verfahren: Im OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stillegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg im Jahr 2003 ist der einzige OBM Konverter stillgelegt worden.

Aktuelle Verfahren

'''Linz-Donawitz-Verfahren''': Im so genannten LD-Verfahren (benannt nach den Standorten der österreichischen Unternehmen VOEST und Alpine Montan, jetzt fusioniert zur VOEST-ALPINE STAHL AG, die dieses Verfahren entwickelten) wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. - In LD-Varianten kann z.B. gleichzeitig Sauerstoff oder auch anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium) oder es wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen (LD-AC-Verfahren).
Siemens-Martin-Verfahren: Dieses war von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit durch Emile Martin und Pierre Martin bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspannten Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird Roheisen und/oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit Öl- oder Gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. In westlichen Ländern wurde dieses Verfahren durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Konverter stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten.
'''Elektrostahlverfahren''': Durch Schmelzen im Lichtbogenofen kann aus Schrott und Pellets Stahl hergestellt werden. Durch den Lichtbogen wird der Ofeninhalt aufgeschmolzen. Den Sauerstoff bezieht dieses Verfahren aus der Umgebungsluft. Zusätzlich kann mit einer Lanze Sauerstoff auf die Schmelze geblasen werden. Dieses Verfahren wird vorwiegend in Ministahlwerken eingesetzt, die keine Flüssigstrecke zum Herstellen von flüssigen Roheisen benötigen. (Dieses Verfahren wurde 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt.)

Wirtschaftliche und historische Bedeutung

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z.B. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der Pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit angesehen.

Vor und nach dem 2. Weltkrieg spielte der Stahl bei der Produktion von Rüstungsgütern, insbesondere Panzerstahl, die Hauptrolle. Deutschlands Norwegenfeldzug wurde wegen dem schwedischen Eisenerz unternohmen und die Alliierten wollten das Ruhrgebiet, damals der grösste geografische Waffenproduzent Europas, mittels gezielten Dammbrüchen überschwemmen.

In der Nachkriegszeit wurde dann die EGKS gegründet, um die Stahlproduktion unter Kontrolle zu halten.

Die Gründe für die große Bedeutung des Stahles:

  • große Festigkeit
  • Verfügbarkeit in großen Mengen
  • Vielseitiger Einsatz durch die Möglichkeit dem Stahl bestimmte Eigenschaften zu geben (Wärmebehandlung, Legierung, mechanische Bearbeitung)

Ökologie

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird.

Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht.

Konkurrenzmaterialien

Stahl steht insbesondere in der Automobilindustrie in direkter Konkurrenz mit Werkstoffen mit geringerem spezifischen Gewicht, wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Da diese Werkstoffe aber z.T. weniger fest als Stahl sind, kann oft durch gezieltes Verwenden von hochfesten Stählen und konstruktiven Maßnahmen (z.B. dünneres Blech mit Aussparungen aber dafür Sicken) der Gewichtsvorteil ausgeglichen werden.

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